DE102018203512A1 - Lithium-Ionen-Zelle für einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, Verfahren zum Herstellen - Google Patents

Lithium-Ionen-Zelle für einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, Verfahren zum Herstellen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Zelle (1) für einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einer Anode (3), zumindest einer Kathode (4), einem Elektrolyten und einem zwischen Kathode (4) und Anode (3) in dem Elektrolyten angeordneten Separator (7), und mit einer Referenzelektrode (8) zum Bestimmen eines Spannungspotenzials der Lithium-Ionen-Zelle (1). Dabei ist vorgesehen, dass die Referenzelektrode (8) aus Lithiumtitanat gefertigt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Zelle für einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Traktionsspeicher, mit zumindest einer Anode, zumindest einer Kathode, einem Elektrolyten und einem zwischen Kathode und Anode in dem Elektrolyten angeordneten Separator, und mit einer Referenzelektrode zum Bestimmen eines Spannungspotenzials der Lithium-Ionen-Zelle.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Lithium-Ionen-Zelle für einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, wobei eine Anode, eine Kathode, ein Elektrolyt sowie ein Separator zwischen Anode und Kathode in dem Elektrolyten bereitgestellt werden.
  • Lithium-Ionen-Zellen und Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. In herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen werden üblicherweise Anode und Kathode durch einen Elektrolyten miteinander elektrisch verbunden, der üblicherweise eine nicht-wässrige Elektrolytlösung ist. Durch den zwischen Anode und Kathode angeordneten Separator können Lithium-Ionen frei durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden, also Anode und Kathode, wandern. Durch das Hinzufügen einer Referenzelektrode als dritte Elektrode ist es möglich, das Halbzellenpotenzial von Anode und Kathode separat zueinander zu bestimmen, so dass eine detaillierte Aussage über Ladezustand und Alterungszustand der Zelle getroffen werden kann. Üblicherweise bestehen derartige Referenzelektroden aus Lithium-Metall, das jedoch eine geringe Langzeitstabilität aufweist und für impedanzspektroskopische Messungen weniger geeignet ist. Außerdem ist es aus „F. La Mantia, C.D. Wessells, H.D. Deshazer, Yi Curi: Reliable reference electrodes for lithium-ion batteries. Electrochemistry Communications 31 (2013) 141-144“, bekannt, Referenzelektroden aus Lithium-Eisenphosphat und Lithium-Titanoxid zu fertigen, wobei die Referenzelektroden punktförmig aufgebracht werden. Aus „J. Costard, M. Ender, M. Weiss, E. Ivers-Tiffee: Three-Electrode Setups for Lithium-ion batteries II“, ist es außerdem bekannt, eine Referenzelektrode durch Beschichten eines Metallgitters bereitzustellen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lithium-Ionen-Zelle zu schaffen, die sowohl für impedanzspektroskopische Zwecke nutzbar ist und darüber hinaus geringe Alterungserscheinungen aufweist.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine Lithium-Ionen-Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dies hat den Vorteil, dass die Lithium-Ionen-Zelle insgesamt eine hohe Lebensdauer aufweist, insbesondere in Bezug auf die verwendete Referenzelektrode, und dass impedanzspektroskopische Messungen insbesondere zur Bestimmung des Alterungszustands der Lithium-Ionen-Zelle sicher und auf lange Zeit hin durchführbar sind. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Referenzelektrode aus Lithiumtitanat gefertigt ist. Hierdurch ergibt sich eine vorteilhafte Eignung zur impedanzspektroskopischen Messung sowie eine Robustheit der Referenzelektrode, die eine hohe Lebensdauer gewährleistet.
  • Insbesondere ist die Referenzelektrode aus Lithiumtitanat-Pulver gepresst. Hierdurch ergibt sich eine einfache und kostengünstige Herstellung der Referenzelektrode, die dann zu den zuvor genannten Vorteilen führt.
  • Besonders bevorzugt ist die Referenzelektrode auf den Separator aufgepresst. Dadurch ist eine einfache Integration der Referenzelektrode in die Lithium-Ionen-Zelle gewährleistet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 zeichnet sich dadurch aus, dass die Referenzelektrode aus Lithiumtitanat hergestellt wird. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
  • Bevorzugt wird die Referenzelektrode durch Verpressen von Lithiumtitanat-Pulver hergestellt. Besonders bevorzugt wird die Referenzelektrode durch Längsverschieben eines Pressstempels oder -Stifts hergestellt.
  • Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Referenzelektrode direkt auf dem Separator gepresst wird.
  • Es ergeben sich hierdurch jeweils die zuvor bereits genannten Vorteile. Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen:
    • 1A und B eine Lithium-Ionen-Zelle in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht,
    • 2 eine Vorrichtung zum Herstellen der Lithium-Ionen-Zelle und
    • 3 ein Verfahren zum Herstellen der Lithium-Ionen-Zelle.
  • 1A und 1B zeigen eine Lithium-Ionen-Zelle 1 für einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, der insbesondere als Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug benutzt wird. Die Lithium-Ionen-Zelle 1 ist in 1A in einer Seitenansicht und in 1B in einer Draufsicht auf die Anschlüsse gezeigt. Die Lithium-Ionen-Zelle 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in welchem eine Anode 3 und eine Kathode 4 angeordnet sind, von denen hier externe Anschlüsse 5 und 6 von dem Gehäuse 2 vorstehen zu ihrer elektrischen Kontaktierung. In dem Gehäuse 2 ist außerdem ein Elektrolyt, vorzugsweise aus einer nicht-wässrigen Elektrolytlösung, vorhanden, sowie ein Separator 7, durch eine gestrichelte Linie angedeutet, der zwischen Anode 3 und Kathode 4 liegt.
  • Außerdem weist die Lithium-Ionen-Zelle 1 eine Referenzelektrode 8 auf, die einen vom Gehäuse 2 vorstehenden Anschluss 9 zu ihrer elektrischen Kontaktierung aufweist. Die Referenzelektrode 8 ist aus Lithiumtitanat-Pulver gefertigt.
  • 2 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Herstellung der Referenzelektrode 8 der Lithium-Ionen-Zelle 1. Die Vorrichtung 10 weist einen Pressstempel 11 auf, der eine Kunststoffhülse 12 und einen damit verbundenen Metallbolzen 13 aufweist. Der Metallbolzen 13 weist an einem freien Ende ein Gewinde 14 auf, und ist an seinem anderen Ende in die Kunststoffhülse 12 eingeführt. Die Kunststoffhülse 12 weist an ihrem von dem Gewinde 14 abgewandten Ende einen geschlossenen Boden 15 auf, der als Pressstempel dient. Der Metallbolzen 13 wirkt in der Art einer Spindel eines Spindelantriebs und ist entsprechend an seinem freien Ende mit dem Gewinde 14 mit einer Spindelmutter 16 gekoppelt. Durch Rotation der Spindelmutter 16 ist der Pressstempel 11 in seiner Längsrichtung verschiebbar, wie durch einen Pfeil 17 in 2 angezeigt.
  • Zwischen dem Pressstempel 11 und dem Separator 7 wird Lithiumtitanat-Pulver 18 angeordnet, insbesondere noch bevor der Separator 7 in das Gehäuse 2 eingebracht wird, vorzugsweise in einer Vertiefung beziehungsweise Aussparung 19 einer auf den Separator 7 aufgelegten Maske 20, und anschließend durch den Pressstempel 11 gegen die Anode 7 verpresst, so dass die Referenzelektrode 8 aus Lithiumtitanat erhalten wird.
  • 3 fasst das Herstellungsverfahren nochmals in einem Flussdiagramm zusammen. In einem ersten Schritt S1 wird die Lithium-Ionen-Zelle 1 mit Kathode 4 und Anode 3 und Elektrolyt bereitgestellt. Gegebenenfalls werden Anode 3 und Kathode auf einem Elektrodenwickel bereitgestellt, der als Basiselement einen den Separator 7 bildenden Streifen aufweist, auf welchem Kathode 4 und Anode 3 angeordnet sind. Bevor dieser Wickel in das Gehäuse 2 eingebracht wird, wird dieser in einem Schritt S2 der Vorrichtung 10 zugeführt und die Referenzelektrode 8 hergestellt.
  • Im Anschluss wird in einem Schritt S3 der Wickel zusammen mit der Referenzelektrode 8 in das Gehäuse 2 derart eingebracht, dass die Referenzelektrode 8 von außen, wie in 1A gezeigt und entsprechend beschrieben, kontaktierbar ist. Somit wird abschließend die Lithium-Ionen-Zelle 1 im Schritt S4 mit vorteilhafter Referenzelektrode 8 aus Lithiumtitanat erhalten, die eine hohe Lebensdauer und vorteilhafte Eigenschaften bei einer impedanzspektroskopischen Messung gewährleistet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lithium-Ionen-Zelle
    2
    Gehäuse
    3
    Anode
    4
    Kathode
    5
    Anschluss
    6
    Anschluss
    7
    Separator
    8
    Referenzelektrode
    9
    Anschluss
    10
    Vorrichtung
    11
    Pressstempel
    12
    Kunststoffhülse
    13
    Metallbolzen
    14
    Gewinde
    15
    Boden
    16
    Spindelmutter
    17
    Pfeil
    18
    Lithiumtitanat-Pulver
    18
    Aussparung
    20
    Maske

Claims (6)

  1. Lithium-Ionen-Zelle (1) für einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einer Anode (3), zumindest einer Kathode (4), einem Elektrolyten und einem zwischen Kathode (4) und Anode (3) in dem Elektrolyten angeordneten Separator (7), und mit einer Referenzelektrode (8) zum Bestimmen eines Spannungspotenzials der Lithium-Ionen-Zelle (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (8) aus Lithiumtitanat gefertigt ist.
  2. Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (8) aus Lithiumtitanat-Pulver gepresst ist.
  3. Lithium-Ionen-Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (8) auf den Separator (7) aufgepresst ist.
  4. Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Zelle (1) für einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, mit folgenden Schritten: - Bereitstellen einer Anode (3), einer Kathode (4), eines Elektrolyten und eines zwischen Anode (3) und Kathode (4) angeordneten/anzuordnenden Separator (7), - Bereitstellen einer Referenzelektrode (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (8) aus Lithiumtitanat hergestellt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (8) durch Verpressen von Lithiumtitanat-Pulver hergestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (8) auf den Separator (7) aufgepresst wird.
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